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2014高考化学 考前争分特训压轴题二 化学工艺流程题专题专练


压轴题二
题型模型

化学工艺流程题

化学工艺流程题结构一般包括题头、题干和题尾三部分。题头一般简单介绍以何种物质 (主要成分是什么、含什么杂质等,要注意一些关键信息)为原料制备哪种物质,以及物质的 性质和用途。题干部分则是工业制备的简化工艺流程图。题尾部分则是根据工业生产流程中 涉及到的化学知识命题者精心设计的系列问题。对于学

生解题需要的未学过的信息在三个部 分都有可能出现,审题时须全盘考虑。 考点模型 (1)原料处理的方法和作用 ①研磨:增大接触面积,加快溶解或加快反应速率。 ②水浸:与水接触溶解或反应,可通过延长时间、搅拌或适当升温来加速,以提高浸出 率。 ③酸浸:与酸接触反应而溶解,使可溶性离 子进入溶液,不溶物通过过滤除去。可通过 适当增大酸的浓度、升温和强力搅拌等加快反应速率。 ④灼烧:除去可燃性杂质或使原料初步转化。 ⑤煅烧:改变结构,使一些物质在后续过程中易溶解,并可使一些杂质(如有机物)在高 温下氧化、分解。 (2)实验条件的控制和目的 ①调节溶液的 pH 值:使某些离子转变为沉淀而达到分离的目的,抑制某些离子的水解, 防止某些离子的氧化等。在题目中常以表格形式给出信息。 ②控制体系的温度 a.控制低温:防止物质的分解,如 NaHCO3、NH4HCO3、H2O2、HNO3(浓)等;防止物质的挥 发,如盐酸、醋酸等;抑制物质的水解,如冰水洗涤,以防止洗涤过程中的溶解损耗; 增大气体反应物的溶解度,使其被充分吸收。 b.采取加热:加速某固体的溶解,加快反应速率;减少气体生成物的溶解并使其逸出; 使平衡向需要的方向移动; 趁热过滤, 防止某 物质降温时因析出而损耗或带入新的杂质。 c.控制范围:确保催化剂的催化效果,兼顾速率和转化率,追求更好的经济效益,防止 副反应发生等。 (3)物质分离或提纯常用的化学方法 ①溶解法: 利用特殊溶剂把杂质溶解而除去, 如 Fe(Al)可用过量的 NaOH 溶液而除去 Al, CO2(HCl、H2O)先通过饱和食盐水,再通过浓 H2SO4。 ②沉淀法:a.加合适的沉淀剂(要使杂质离子充分沉淀,加入的沉淀剂必须过量,且在后

1

续步骤中易除去)。b.调节溶液的酸碱性。 ③洗涤法:a.水洗,b.冰水洗,c.有机溶剂洗,其目的是:洗去目标物表面的杂质离子; 减少目标物的溶解损耗或增大有机杂质的溶解量;防止目标物形成结晶水合物;使晶体 快速干燥。 (4)可循环物质的判断 ①流程图中回头箭头的物质 ②生产流程中后面新生成或新分离的物质(不要忽视结晶后的母液),可能是前面某一步 反应的相关物质。 1. 高锰酸钾是中学常用的试剂。工业上用软锰矿制备高锰酸钾流程如下。

(1)铋酸钠(不溶于水)用于定性检验酸性溶液中 Mn 的存在(铋的还原产物为 Bi , Mn 的 氧化产物为+7 价),写出反应的离子方程式______________________。 (2)KMnO4 稀溶液是一种常用的消毒剂。其消毒原理与下列物质相同的是 ________(填代 号)。 a.84 消毒液(NaClO 溶液) c.苯酚 b.双氧水 d.75%酒精

2+

3+

(3)上述流程中可以循环使用的物质有________、________(写化学式)。 (4) 理论上 ( 若不考虑物质循 环与制备过程中的损失 )1 mol MnO2 可制得 ________ mol KMnO4。 (5)该生产中需要纯净的 CO2 气体。写出实验室制取 CO2 的化学方程式________,所需气 体产生装置是________(选填代号)。

(6)操作Ⅰ的名称是________;操作Ⅱ根据 KMnO4 和 K2CO3 两物质在________(填性质)上 的差异,采用________(填操作步骤)、趁热过滤得到 KMnO4 粗晶体。 答案 (1)2Mn +5NaBiO3+14H ===2MnO4 +5Bi +5Na +7H2O (2)ab
2+ + - 3+ +

2

(3)MnO2 2 (4) 3

KOH

(5)CaCO3+2HCl===CaCl2+H2O+CO2↑ AC (6)过滤 溶解度 浓缩结晶 解析 (1)由于 NaBiO3 不溶于水,在写离子方程式时,应保留其化学式。 (2)KMnO4 作为消毒剂,是利用其强氧化性,与 84 消毒液、H2O2 的消毒原理相同。 (3)在流程图中,一开始用到 MnO2 和 KOH,通入 CO2 后,又产生 MnO2;加入石灰苛 化,生 成 KOH,所以 MnO2、KOH 可循环利用。 (4)MnO2― →K2MnO4― →KMnO4+MnO2 1 1

x

1-x

根据电子 守恒得:x=2(1-x) 2 解得:x= 3 故理论上 1 mol MnO2 可制得 2 mol KMnO4。 3

(5)实验室制 CO2 气体,应选用 CaCO3 和稀盐酸(或稀 HNO3),可选用 A、C 装置。 (6)操作Ⅰ应使 KMnO4、K2CO3、MnO2 分离开,应采取过滤的方法,KMnO4、K2CO3 两种物质溶 解度不同,采取浓缩结晶使 KMnO4 晶体析出,然后再趁热过滤。 2. 锂被誉为“金属味精”,以 LiCoO2 为正极材料的锂离子电池已被广泛用作便携式电源。 工业上常以 β ?锂辉矿(主要成分为 LiAlSi2O6,还含有 FeO、MgO、CaO 等杂质)为原料来 制取金属锂。其中一种工艺流程如下:

已知:①部分金属氢氧化物开始沉淀和完全沉淀时的 pH: 氢氧化物 开始沉淀 pH 完全沉淀 pH Fe(OH)3 2.7 3.7 Al(OH)3 3.7 4.7 Mg(OH)2 9.6 11

②Li2CO3 在不同温度下的溶解度如下表: 温度/℃ Li2CO3 的溶解度/g 请回答下列问题: 0 1.539 10 1.406 20 1.329 50 1.181 75 0.866 100 0.728

3

(1)用氧化物形式表示 LiA lSi2O6 的组成:__________________________。 (2)反应Ⅱ加入碳酸钙的作用是__________________________________。 (3)写出反应Ⅲ中生成沉淀 A 的离子方程式:________________________。 (4)洗涤所得 Li2CO3 沉淀要使用________(选填“热水”或“冷水”),你选择的理由是 __________________________________。 (5) 电 解 熔 融 氯 化 锂 生 产 锂 时 , 阳 极 产 生 的 氯 气 中 会 混 有 少 量 氧 气 , 原 因 是 ________________________________________。 答案 (1)Li2O·Al2O3·4SiO2 (2)除去反应Ⅰ中过量的 H2SO4;控制 pH,使 Fe 、Al 完全沉淀 (3)Mg +2OH ===Mg(OH)2↓、Ca +CO3 ===CaCO3↓ (4)热水 Li2CO3 在较高温度下溶解度小,用热水洗涤可减少 Li2CO3 的损耗
2+ - 2+ 2- 3+ 3+

(5)加热蒸干 LiCl 溶液时,LiCl 有少量水解生成 LiOH,受热分解生成 Li2O,电解时产 生 O2(其他合理答案均可) 解析 (1)用氧化物表示 LiAlSi2O6 时,活泼的金属氧化物在前,不活泼的在后,水放在 最后。 (2)加入 CaCO3,可除去反应Ⅰ中过量的 H2SO4,降低溶液中 c(H ),根据 pH=5,可使 Fe
+ + 3

、Al 完全沉淀。
2+ 2+

3+

(3)在反应Ⅲ中,加入 Ca(OH)2、Na2CO3 沉淀的是 Mg 和 Ca 。 (4)由于温度越高,Li2CO3 的溶解度越小,所以应用热水洗涤 Li2CO3。 (5)由于在加热蒸干 LiCl 溶液时,会产生少量的 LiOH,受热分解生成 Li2O,所以电解时 会产生 O2。 3. 聚合硫酸铁又称聚铁,化学式为[Fe2(OH)n(SO4)3-0.5n]m,广泛用于污水处理。实验室利用 硫酸厂烧渣(主要成分为铁的氧化物及少量 FeS、 SiO2 等)制备聚铁和绿矾(FeSO4·7H2 O), 过程如下:

(1)验证固体 W 焙 烧后产生的气体含有 SO2 的方法是________________。 (2)实验室制备、收集干燥的 SO2,所需仪器如下。装置 A 产生 SO2,按气流方向连接各 仪器接口,顺序为 a→________→________→________→________→f。 装置 A 中发生反应的化学方程式为__________________________。

4

(3)制备绿矾时,向溶液 X 中加入过量________,充分反应后,经过滤操作得到溶液 Y, 再经浓缩、结晶等步骤得到绿矾。过滤所需的玻璃仪器有________________。 (4)欲测定溶液 Y 中 Fe 的浓度,需要用容量瓶配制 KMnO4 标准溶液,用 KMnO4 标准溶液 滴定时应选用________滴定管(填“酸式”或“碱式”)。 (5)溶液 Z 的 pH 影响聚铁中铁的质量分数。 若溶液 Z 的 pH 偏小, 将导致聚铁中铁的质量 分数________(填“偏大”、“偏小”或“无影响”)。 答案 (1)将气体通入品红溶液,溶液褪色,加热恢复原色 △ (2)d→e→c→b Cu+2H2SO4(浓)=====CuSO4+SO2↑+2H2O (3)铁屑 烧杯、漏斗、玻璃棒 (4)酸式 (5)偏小 解析 (1)利用品红溶液验证 SO2,使品红溶液褪色,加热恢复红色。 (2)由于装置 A 中有加热装置,所以是利用 Cu 和浓硫酸反应制 SO2,C 为干燥装置,B 为 收集装置,D、E 为尾气处理装置。 (3)由于 X 中含有 Fe ,所以制备绿矾时,应加入 Fe 粉,使 Fe 还原成 Fe 。此处审题 应注意玻璃仪器。 (4)KMnO4 溶液具有强氧化性,应选择酸式滴定管。 (5)Fe +3H2O??Fe(OH)3+3H ,pH 越小,Fe 的水解程度越小,导致聚铁中铁的质量 分数偏小。 4. 多晶硅(硅单质的一种)被称为“微电子大厦的基石”,制备中副产物以 SiCl4 为主,它 环境污染很大,能遇水强烈水解,放出大量的热。研究人员利用 SiCl4 水解生成的盐酸 和钡矿粉(主要成分为 BaCO3,且含有铁、镁等离子)制备 BaCl2·2H2O,工艺流程如下:
3+ + 3+ 3+ 3+ 2+ 2+

5

已知: ①常温下 Fe 、Mg 完全沉淀的 pH 分别是 3. 4、12.4 ②BaCO3 的相对分子质量是 197;BaCl2·2H2O 的相对分子质量是 244 回答下列问题: (1)SiCl4 发生水解反应的化学方程式为____________________________。 (2)用 H2 还原 SiCl4 蒸气可制取纯度很高的硅,当反应中有 1 mol 电子转移时吸收 59 kJ 热量,则该反应的热化学方程式为____________________。 (3)加钡矿粉并调节 pH=7 的目的是①____________,②____________。 (4)过滤②后的滤液中 Fe 浓度为______(滤液温度 25 ℃,Ksp[Fe(OH)3]=2.2×10 (5)生成滤渣 A 的离子方程式______________________。 (6)列式计算出 10 吨含 78.8% BaCO3 的钡矿粉理论上最多能生成 BaCl2·2H2O 的质量为多 少吨? 答案 (1)SiCl4+4H2O===H4SiO4↓+4HCl (2)SiCl4(g)+2H2(g)===Si(s)+4HCl(g) Δ H=+236 kJ·mol
-1 3+ -38 3+ 2+

)。

(3)使 BaCO3 转化为 BaCl2 使 Fe 完全沉淀 (4)2.2×10
2+ -17

3+

mol·L

-1

(5)Mg +2OH ===Mg(OH)2↓ (6)m= 10t×78.8% -1 -1×244 g·mol =9.76 t 197 g·mol



解析 (1)SiCl4 水解生成 H4SiO4 和 HCl。 高温 (2)SiCl4+2H2=====Si+4HCl,当 有 4 mol 电子转移时,吸收热量为 236 kJ,所以热化 学方程式为 SiCl4(g)+2H2(g)===Si(s)+4HCl(g) Δ H=+236 kJ·mol 。 (3)加入 BaCO3,可发生反应 BaCO3+2HCl===CO2↑+H2O+BaCl2,并降低 c(H ),使 Fe 完全水解生成 Fe(OH)3 沉淀。 (4)c(OH )=10
- -7 + 3+ -1

mol·L

-1

6

c(Fe3+)=

2.2×10 -7 ? 10 ?

-38 3

=2.2×10

-17

mol·L
2+

-1

(5)根据信息,当 pH=12.5 时,Mg 完全沉淀,Mg +2OH ===Mg(OH)2↓。 (6)根据 Ba 守恒得:m(BaCl2·2H2O) = 10 t×78.8% -1 -1×244 g·mol 197 g·mol
2+

2+



=9.76 t。 5. 亚氯酸钠(NaClO2)是一种强氧化性漂白剂,广泛用于纺织、印染和食品工业。它在碱性 环境中稳定存在。某同学查阅资料后设计生产 NaClO2 的主要流程如下。

(1) 双氧水的结构式为 ________________ ;Ⅰ中发生反应的还原剂是 ________( 填化学 式)。 (2)Ⅱ中反应的离子方程式是____________________________。 (3)A 的化学式是________________,装置Ⅲ中 A 在______________极区产生。 (4)ClO2 是一种高效水处理剂,可用亚氯酸钠和稀盐酸为原料制备。 ①写出该反应的化学方程式________________。 ②研究表明:若反应开始时盐酸浓度较大,则气体产物中有 Cl2,用离子方程式解释产 生 Cl2 的原因______________________。 (5)NaClO2 变质可分解为 NaClO3 和 NaCl。取等质量变质前后的 NaClO2 试样均配成溶液, 分别与足量 FeSO4 溶液反应时,消耗 Fe 的物质的量________(填“相同”、“不相同” 或“无法判断”)。 答案 (1)H—O—O—H
- 2+

Na2SO3


(2)2ClO2+H2O2+2OH ===2ClO2 +O2↑+2H2O (3)H2SO4 阳 (4)①5NaClO2+4HCl===5NaCl+4ClO2↑+2H2O ②ClO2 +3Cl +4H ===2Cl2↑+2H2O (5)相同 解析 (1)Na2SO3 具有还原性,作还原剂。 (2)在Ⅱ中, ClO2 气体把 H2O2 氧化, 离子方程式为 2ClO2+H2O2+2OH ===2ClO2 +O2↑+2H2O (3)装置Ⅲ中发生的电极反应式为 阳极:4OH -4e ===2H2O+O2↑
- - - - - - +

7

阴极:4H +4e ===2H2↑ 所以在阳极附近生成 H2SO4。 (4)5NaClO2+4HCl===5NaCl+4ClO2↑+2H2O 若盐酸的浓度过大,则发生反应 ClO2 +3Cl +4H ===2Cl2↑+2H2O (5)3NaClO2===2NaClO3+NaCl 3 mol
- 2+ - - +





2 mol
+ -

1 mol
3+

ClO2 +4Fe +4H ===Cl +4 Fe +2H2O 3 mol 12 mol ClO3 +6Fe +6H ===Cl +6Fe +3H2O 2 mol 12 mol 所以消耗 Fe 的物质的量相同。 6. 金属钛(Ti)因其硬度大、熔点高、常温时耐酸碱腐蚀而被广泛用作高新科技材料,被誉 为“未来金属”。以钛铁 矿(主要成分 FeTiO3,钛酸亚铁)为主要原料冶炼金属钛同时获 得副产品甲的工业生产流程如下:
2+ - 2+ + - 3+

回答下列问题: (1)钛铁矿和浓硫酸反应的产物之一是 TiOSO4,反应中无气体生成。副产品甲阳离子是 ________。 (2)上述生产流程中加入铁屑的目的是____________________________。 (3)此时溶液Ⅰ中含有 Fe 、TiO 和少量 Mg 等阳离子。常温下,其对应氢氧化物的 Ksp 如下表所示。 氢氧化物 Fe(OH)2 8.0×10
2+ -16 2+ 2+ 2+

TiO(OH)2 1.0×10
-29

Mg(OH)2 1.8×10
-11

Ksp

①常温下,若所得溶液中 Mg 的物质的量浓度为 0.001 8 mol·L ,当溶液的 pH 等于 ________时,Mg(OH)2 开始沉淀。 ②若将含有 Fe 、TiO 和 Mg 的溶液加水稀释,立即析出大量白色沉淀,写出该反应的 离子方程式:__________ ______________。 (4)Mg 还原 TiCl4 过程中必须在 1 070 K 的温度下进行,你认为还应该控制的反应条件是 __________________。
8
2+ 2+ 2+

-1

(5)在 800~1 000 ℃时电解 TiO2 也可制得海绵钛,装置如下图所示。

图中 b 是电源的________极,阴极的电极反应式________。 答案 +2H


(1)Fe

2+

(2)防止 Fe 氧化

2+

(3)①10

②TiO +2H2O===TiO(OH)2↓(或 H2TiO3)
- 2-

2+

(4)隔绝空气(或惰性气氛中) (5)正 TiO2+4e ===Ti+2O

解析 (1)FeTiO3+2H2SO4===TiOSO4+FeSO4+2H2O,所以副产品甲阳离子为 Fe 。 (2)Fe 易被氧化,加入 Fe 可防止 Fe 氧化。 (3)①c(OH )=
- 2+ 2+

2+

1.8×10 0.001 8

-11

mol·L =10

-1

-4

mol·L 。

-1

所以当 pH=10 时,Mg(OH)2 开始沉淀。 ②由于 TiO(OH)2 的 Ksp 很小, 所以加水稀释时, TiO 强烈水解, TiO +2H2O===TiO(OH)2↓ +2H 。 (4)由于 Ti 易和 O2 反应生成 TiO2,所以在用 Mg 还原 TiCl4 时,应隔绝空气。 (5)TiO2 应作阴极,所以 a 为负极,b 为正极,电极反应式为 阴极:TiO2+4e ===Ti+2O 阳极:2O -4e ===O2↑。
2- - - 2- + 2+ 2+

9


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